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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit mit einem rotierbaren und mit der Messflüssigkeit füllbaren, äusseren Hohlzylinder und einem im Inneren des äusseren Hohlzylinders befindlichen und von der Messflüssigkeit umgebenen, inneren Zylinder, wobei der Innendurchmesser des äusseren Zylinders grösser als der Aussendurchmesser des inneren Zylinders ist, und wobei eine Vorrichtung zur Erzeugung eines auf die Rotationsbewegung des inneren Zylinders wirkenden Bremsmoments vorgesehen ist.
Die Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten kann entweder in einem Kapillarviskosimeter durch Messung der Durchflussgeschwindigkeit durch Kapillaren oder in einem Rotationsviskosimeter durch Messung des Drehmoments zwischen zwei Zylinderkörpern mit dazwischen befindlichem, flüssigkeitsdurchströmten Spalt bei unterschiedlicher Drehzahl beider Zylinderkörper vorgenommen werden.
Bekannte Rotationsviskosimeter bestehen aus einem äusseren Hohlzylinder, in dem ein innerer Zylinder gelagert ist, sodass ein möglichst genau definierter Spalt zwischen äusserem Hohlzylinder und innerem Zylinder gebildet wird Bei Rotation des äusseren Hohlzylinders wirkt über den mit der Messflüssigkeit gefüllten Spalt ein viskositätsabhängiges Drehmoment auf den inneren Zylinder.
Dieses Drehmoment wird als Ausschlagsgrösse einer Drehfeder oder über das Antriebsmoment gemessen und in den Viskositätswert umgerechnet.
Die Nachteile bekannter Vorrichtungen bestehen einerseits darin, dass durch die Lagerreibung des inneren Zylinders die Messgenauigkeit relativ gering ist und dass eine Bestimmung des Viskositatsbereiches über mehrere Grössenordnungen hinweg aus messtechnischen Gründen nicht möglich ist.
Mittels reibungsarmer Luftlager und gestufter Zylinderabmessungen kann die Genauigkeit zwar gesteigert werden, der apparative Aufwand dafür steigt aber überproportional an
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der bei relativ geringem technischen Aufwand eine sehr präzise Bestimmung der Viskosität vorgenommen werden kann.
Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine digitale Erfassung der Messwertgrössen zu ermöglichen und eine Messung über mehrere Grössenordnungen der Viskosität zu erlauben
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines auf die Rotationsbewegung des inneren Zylinders wirkenden Bremsmoments durch ein auf oder in dem inneren Zylinder angeordnetes, elektrisch leitendes, vorzugsweise ringförmiges Wirbelstromelement und ein ausserhalb des äusseren Hohlzylinders angeordnetes Brems- Magnetelement zur Erzeugung eines quer zur Rotationsachse des äusseren Hohlzylinders orientierten Magnetfeldes gebildet ist.
Damit kann eine Verzögerung der Drehzahl des inneren Zylinders durch die Wirkung eines Magnetfeldes erzielt werden, wodurch sich insgesamt eine messbare Drehzahl n2 des inneren Zylinders einstellt, die aus der bremsenden Wirkung der Wirbelstrombremse und der antreibenden Wirkung des äusseren Hohlzylinders resultiert, die von der Viskosität der Messflüssigkeit abhängt.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Masse-Volumen- Verhältnis des inneren Zylinders kleiner als die Dichte der Messflüssigkeit ist, sodass bei Rotation des äusseren Hohlzylinders infolge des zentrifugalen Druckgefälles der innere Zylinder in einer konzentrischen Position relativ zum äusseren Hohlzylinder schwimmend in der Messflüssigkeit rotiert.
Auf diese Weise fallt die mechanische Lagerung für den inneren Zylinder und damit deren Reibungsverluste weg, da der innere Zylinder innerhalb der Messflüssigkeit schwimmend rotiert und dabei einen Flüssigkeitsspalt ausbildet, über den die Rotationsbewegung des äusseren Hohlzylinders auf den inneren Zylinder übertragen wird.
Die Viskosität kann mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung aus dem Drehzahlverhältnis von angetriebenem äusseren Hohlzylinder und gebremstem inneren Zylinder berechnet werden.
Dadurch kann das digital leicht erfassbare Drehzahlverhältnis als primäre Messgrösse herangezogen und durch die praktisch unbeschränkte Genauigkeit der digitalen Datenverarbeitung mit einer einzigen Vorrichtungskonfiguration ein Viskositätsmessbereich von mehreren Grössenordnungen überstrichen werden.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass vorzugsweise im Bereich der stirnseitigen Enden des inneren Zylinders jeweils zumindest ein Distanz-Magnetelement vorgesehen ist, dessen Wirkungsbereich sich jeweils im Wirkungsbereich eines innerhalb des äusseren Zylinders fest angeordneten Lager-Magnetelementes befindet, wobei gegenüberliegende Magnetpole der Distanz- und Lager-Magnetelemente jeweils gleiche Polarität aufweisen.
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Durch die abstossende Wirkung der Magnetelemente kann eine reibungslose achsiale Positionierung des rotierenden inneren Zylinders erreicht werden
Gemäss einer weiteren Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Lager-Magnet- Elemente zylinderförmig mit entlang der Rotationsachse des äusseren Hohlzylinders verlaufenden Durchgangsbohrungen für die Messflüssigkeit ausgebildet sind.
Dadurch wird eine Zu- und Abfuhr von Messflüssigkeit während der Drehbewegung ermöglicht.
Weiters kann vorgesehen sein, dass eine Messeinheit zur Ermittlung der Drehzahl des inneren Zylinders vorgesehen ist, welche gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch gebildet sein kann, dass die Messeinheit zur Ermittlung der Drehzahl durch ein innerhalb des inneren Zylinders angeordnetes Mess- Magnetelement und durch einen ausserhalb des äusseren Hohlzylinders angeordneten Hall-Sensor gebildet ist.
Damit kann eine berührungslose Drehzahlmessung verwirklicht werden, die keine Reibungsverluste in der Rotationsbewegung des inneren Zylinders entstehen lässt
Um eine Zu- und Ableitung der Messflussigkeit während der Rotationsbewegung des äusseren Hohlzylinders mit geringstmöglicher Beeinflussung zu ermöglichen, kann gemäss einer weiteren Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass der äussere Hohlzylinder an seinen sich verjüngenden Enden in jeweils einem Rotationslager rotierbar gehalten ist, und dass die achsiale Flüssigkeitszu- und -ableitung in das Innere des äusseren Hohlzylinders über Zuleitungshohlräume innerhalb der Rotationslager erfolgt, welche um die Einlassstellen bzw. Auslassstellen der Flussigkeit in den bzw aus dem äusseren Hohlzylinder angeordnet sind.
Zur Erzeugung der Rotationsbewegung des äusseren Hohlzylinders kann eine Antriebseinheit vorgesehen sein, die vorzugsweise an eines der stirnseitigen Enden des äusseren Hohlzylinders gekoppelt ist und über die der äussere Hohlzylinder mit einer konstanten Drehzahl rotierbar ist.
Schliesslich kann zur Gewährleistung konstanter Temperaturverhältnisse während der Messung vorgesehen sein, dass der äussere Hohlzylinder von einem temperaturgeregelten Gehäuse umgeben ist, wobei vorzugsweise ein kleiner Luftspalt zwischen Gehäuse und äusserem Hohlzylinder verbleibt.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung.
Um eine technisch einfache Erfassung und Verarbeitung der zur Bestimmung der Viskosität erforderlichen Messgrössen zu ermöglichen, wird erfindungsgemäss vorgesehen, dass die Drehzahl n, des angetriebenen äusseren Hohlzylinders und die Drehzahl n2 des gebremsten inneren Zylinders gemessen wird, und dass aus dem Verhältnis der Drehzahlen n1 n2 die Viskosität der zwischen dem äusseren Hohlzylinder und dem inneren Zylinder befindlichen Messflüssigkeit errechnet wird
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Vorrichtung eingehend erläutert, wobei Fig 1 einen Längsschnitt durch die im Betrieb befindliche Vorrichtung zeigt.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit dargestellt, die einen rotierbaren äusseren Hohlzylinder 1 und einen im Inneren des äusseren Hohlzylinders befindlichen, inneren Zylinder 5 umfasst. Die Darstellung in der Fig. 1 zeigt jene Lage des inneren Zylinders 5, den dieser annimmt, wenn der äussere Hohlzylinder 1 rotiert wird und die Messflüssigkeit den Raum zwischen dem äusseren Hohlzylinder 1 und dem inneren Zylinder 5 ausfüllt. Die Messflüssigkeit kann auch die erfindungsgemässe Vorrichtung durchströmen Der Strömungsverlauf der Messflüssigkeit ist in Fig 1 mit Pfeilen symbolisiert.
Der Innendurchmesser des äusseren Zylinders 1 ist zu diesem Zweck grösser als der Aussendurchmesser des inneren Zylinders 5, sodass zwischen der Innenfläche des äusseren Hohlzylinders 1 und des inneren Zylinders 5 ein zylinderringförmiger Spaltraum 22 ausgebildet werden kann.
Da gemäss einer Ausbildung der Erfindung das Masse-Volumen-Verhältnis des inneren Zylinders 5 so gewählt ist, dass es kleiner als die Dichte der Messflüssigkeit ist, bewegt sich der innere Zylinder 5 bei Rotation des äusseren Hohlzylinders 1 infolge des zentrifugalen Druckgefälles in einer konzentrischen Position relativ zum äusseren Hohlzylinder 1 und beginnt dort schwimmend in der Messflüssigkeit zu rotieren.
Damit ist der innere Zylinder 5 in radialer Richtung zentriert. In achsialer Richtung wird er durch Distanz-Magnetelemente 6,7 reibungslos in seiner Position gehalten, die im Bereich der stimseitigen Enden des inneren Zylinders 5 vorgesehen sind. Ihr Wirkungsbereich befindet sich jeweils im Wirkungsbereich der innerhalb des äusseren Zylinders 1 fest angeordneten Lager- Magnetelemente 3,4. Der Nordpol N des Lager-Magnetelements 3 bzw 4 liegt genau dem
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Nordpol N des Distanz-Magnetelements 6 bzw. 7 gegenüber, sodass die gegenüberliegenden Magnetpole der Distanz- und Lager-Magnetelemente 6,7, 3,4 jeweils gleiche Polarität aufweisen und damit eine Abstossung bewirken, die verhindert, dass eine in Längsrichtung des inneren Zylinders 5 auftretende Bewegungskomponente eine Verschiebung desselben bewirken kann.
Genauso könnte nach Belieben auch Südpol und Südpol in gegenüberliegende Lage gebracht werden.
Die Lager-Magnet-Elemente 3,4 sind in diesem Ausführungsbeispiel zylinderförmig mit entlang der Rotationsachse des äusseren Hohlzylinders 1 verlaufenden Durchgangsbohrungen 18,19 für das Hindurchströmen der Messflüssigkeit ausgebildet und an der Innenwand des äusseren Hohlzylinders 1 fixiert Zwischen den stirnseitigen Enden des inneren Zylinders 5 und den Lager- Magnet-Elementen 3,4 ist genügend Raum freigelassen, um ein Vorbeiströmen der Messflüssigkeit zu gewährleisten
Der äussere Hohlzylinder 1 ist an seinen sich verjüngenden Enden in jeweils einem Rotationslager 8,9 rotierbar gehalten, wobei an eines der stimseitigen Enden des äusseren Hohlzylinders 1 eine Antriebseinheit 2, z B.
ein Elektromotor, gekoppelt ist, über den der äussere Hohlzylinder 1 mit einer konstanten Drehzahl n1 rotierbar ist
Die achsiale Flüssigkeitszu- und ableitung in das Innere des äusseren Hohlzylinders 1 erfolgt über Zuleitungshohlräume 16,17 innerhalb der Rotationslager 8,9, welche um die Einlassstellen bzw. Auslassstellen der Flüssigkeit in den bzw. aus dem äusseren Hohlzylinder 1 dichtend angeordnet sind.
Die Art der Messflüssigkeitszu- und ableitung kann aber im Rahmen der Erfindung auch auf andere gleichwertige Art verwirklicht werden.
Erfindungsgemäss ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines auf die Rotationsbewegung des inneren Zylinders 1 wirkenden Bremsmoments vorgesehen, die durch ein auf oder in dem inneren Zylinder 5 vorzugsweise rotationssymmetrisch angeordnetes, elektrisch leitendes, vorzugsweise ringförmiges Wirbelstromelement 10 gebildet ist, welches aufgrund der Rotationsbewegung des inneren Zylinders 5 gegenüber ausserhalb des äusseren Hohlzylinders 1 angeordneten Brems- Magnetelementen 11a, 11b zur Erzeugung eines quer zur Rotationsachse des äusseren Hohlzylinders 1 orientierten Magnetfeldes bewegt wird. Die sich als Folge der Relativbewegung in dem Wirbelstromelement 10 ausbildenden Wirbelströme erzeugen ein drehzahlabhängiges Bremsmoment MB, das auf die Rotationsbewegung des inneren Zylinders 5 verzögernd wirkt.
Weiters ist eine Messeinheit 12,13 zur Ermittlung der Drehzahl des inneren Zylinders 5 vorgesehen, die durch ein innerhalb des inneren Zylinders 5 angeordnetes Mess-Magnetelement 12 und durch einen ausserhalb des äusseren Hohlzylinders 1 angeordneten Hall-Sensor 13 gebildet ist.
Die Pole S, N des Mess-Magnetelements 12 sind quer zur Rotationsachse des äusseren Hohlzylinders 1 orientiert. Durch die Rotationsbewegung entsteht im Hall-Sensor 13 eine mit der Rotationsdrehzahl n2 des inneren Zylinders 5 oszillierende Spannung, die zur Drehzahlmessung herangezogen werden kann
Aufgrund des drehzahlabhängigen Bremsmoments wird bei einer Drehzahl n2 des inneren Zylinders 5 dieser mit dem Moment
MB = C1 n2 gebremst, wobei die Konstante C1 von der Grösse des in den Brems-Magnetelementen 11 a, 11b erzeugten Magnetfeldes und der Leitfähigkeit des Ringes 10 bestimmt wird.
Durch den über die Bremseinheit hervorgerufenen Drehzahlunterschied zwischen dem angetriebenen äusseren Hohlzylinder 1 und dem mitgenommenen inneren Zylinder 5 entsteht im flüssigkeitsgefüllten Spalt 22 ein Geschwindigkeitsgefälle, durch welches ein vikositätsabhängiges Moment
M = C2n (ni - n2) auf den inneren Zylinder 5 wirkt, wobei n die Viskosität der Messflüssigkeit bedeutet und C2 eine Funktion von Zylinderlänge und Spaltbreite ist, und somit den Einfluss des zwischen äusserem Hohlzylinder 1 und innerem Zylinder 5 eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumens repräsentiert-
Da der innere Zylinder 5 frei von Lagerreibung in der Messflüssigkeit schwimmt, muss Mv=M@ gelten.
Daraus folgt
EMI3.1
1/n-C2/C1 (n1/n2-1)
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C2/C1 wird als Apparatekonstante K definiert, sodass aus dem Verhältnis der Drehzahlen die Viskosität nach der Formel n= K/(n1/n2 -1) berechnet werden kann.
Die Konstante K wird durch eine Messung an einer Substanz mit bekannter Viskosität ermittelt Um für die Messung konstante Temperaturverhältnisse zu schaffen, ist der äussere Hohlzylinder 1 in einem temperaturgeregelten Gehäuse 14 so eingebaut, dass zwischen dem Gehäuse 14 und dem Hohlzylinder 1 nur ein enger Luftspalt verbleibt.
Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit mit einem rotierbaren und mit der Messflüssigkeit füllbaren, äusseren Hohlzylinder und einem im Inneren des äusseren
Hohlzylinders befindlichen und von der Messflüssigkeit umgebenen, inneren Zylinder, wobei der Innendurchmesser des äusseren Zylinders grösser als der Aussendurchmesser des inneren Zylinders ist, und wobei eine Vorrichtung zur Erzeugung eines auf die
Rotationsbewegung des inneren Zylinders wirkenden Bremsmoments vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines auf die
Rotationsbewegung des inneren Zylinders wirkenden Bremsmoments durch ein auf oder in dem inneren Zylinder (5) angeordnetes, elektrisch leitendes, vorzugsweise ringförmiges
Wirbelstromelement (10) und ein ausserhalb des äusseren Hohlzylinders (1)
angeordnetes
Brems-Magnetelement (11a, 11b) zur Erzeugung eines quer zur Rotationsachse des äusseren Hohlzylinders (1) orientierten Magnetfeldes gebildet ist.